CN114365034A - 半导体Mach-Zehnder光调制器及IQ调制器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体Mach‑Zehnder光调制器包括：输入侧引出线(20‑23)；相位调制电极线(24‑27)；以及电极(32‑35)，将通过相位调制电极线(24‑27)传播的调制信号分别施加到波导(16‑19)。半导体Mach‑Zehnder光调制器还包括：导电层，形成在衬底与波导(16‑19)之间；多个第一布线层(70)，连接到导电层；以及第二布线层(71)，连接电极焊盘(55)和多个第一布线层(70)。

Description

半导体Mach-Zehnder光调制器及IQ调制器
技术领域
本发明涉及一种用电信号调制光信号的半导体Mach-Zehnder光调制器、以及一种使用该半导体Mach-Zehnder光调制器的IQ调制器。
背景技术
为了满足日益增长的通信业务需求，需要适用于高级光调制方法的高速光调制器。特别是，通过使用数字相干技术的高阶光调制器在实现具有超过100Gbps的大容量收发器中发挥了重要作用。在这些高阶光调制器中，并联和多级地包括了能够进行零啁啾驱动的MZ(Mach-Zehnder)干涉光调制器，以将独立信号分别添加到光的幅度和相位。
最近的挑战是减小光发射器模块的尺寸和降低驱动电压，并且正在积极地推进能够降低驱动电压的紧凑的半导体MZ调制器的研究和开发。此外，在半导体MZ调制器的研究和开发中，正在加速向适应诸如64GBaud或100GBaud之类的更高波特率的移动，并且需要调制器适应更宽的频带。
同时，不仅旨在单独通过调制器改善特性，并且旨在通过将驱动器和调制器集成为单个封装并提供驱动器和调制器的协调设计来改善射频特性并实现尺寸减小的HB-CDM(高带宽相干驱动器调制器)的研究和开发正在加速(参见非专利文献1)。由于在HB-CDM的配置中集成了差分驱动的驱动器和调制器，因此期望调制器本身具有差分驱动的配置。
在宽带半导体MZ调制器中，通常使用行波电极。为了提高行波电极中的调制带宽，以下方面是十分重要的：(I)通过电极传播的微波与通过波导传播的光之间的光速匹配；以及(II)在电极中的传播损耗的减小。为了满足(I)和(II)，在半导体MZ调制器中使用电容性加载结构(参见非专利文献2和非专利文献3)。
形成具有电容性加载结构的半导体MZ调制器被设计为使得用于发送调制信号的主线和用于从主线中分离调制信号以施加到波导的电极，以执行相位调制。通过最优地设计从这个主线分支出的电极的数量和其之间的间距以及电极与波导接触的长度，可以自由地设计添加到主线中的容量的量，并且可以将主线的阻抗和微波的速度设计为具有任意值。此外，通过设计添加到主线的容量的最优量，可以改善光波与微波之间的速度匹配，并且可以实现阻抗匹配为50，其结果是可以实现对更宽频带的适应。
此外，具有电容性加载结构的半导体MZ调制器被配置为使得电压被施加在下层n型半导体层与表面电极之间，并且由于它们的电压差，反向偏置被施加到半导体MQW(多量子阱)层，以及调制操作被执行。n型半导体层的电阻值显著低于p型半导体层，但电阻值高于金属。由于在电容性加载结构中，需要通过n型半导体层来施加电压，因此在电流流入n型半导体层的情况下，n型半导体层的电阻会导致电压降。当电压降发生时，向n型半导体层施加的用于驱动的所需电压的绝对量增大，这增加了操作期间的偏置电压，导致了低效率的问题。
将使用图10A和图10B来提供具体描述。图10A是半导体MZ光调制器的平面图，并且图10B是沿图10A的线c-c’截取的截面图。
在图10A和图10B中，半导体MZ光调制器的输入波导由101表示，输出波导由102表示，将通过输入波导101传播的光波分离到两个波导104、105的光学分支滤波器由103表示，将通过两个波导104、105传播的光波复用到输出波导102的光学复用器由106表示，共面带状线由109、110表示，向波导104、105施加电压的电极由111、102表示，以及连接到下层n型半导体层的电极焊盘由118表示。
在图10B中，n-InP层(n型半导体层)由113表示，由InP制成的下包覆层由114表示，光波通过其传播的半导体核心层由115表示，由InP制成的上包覆层由116表示，以及SI-InP衬底由117表示。
输入波导101、输出波导102、光学分支滤波器103、波导104、105和光学复用器106构成MZ干涉仪。在MZ干涉仪中，通过向波导104、105施加电压，借助于电光效应，半导体核心层115中的折射率被改变。其结果是，光的相位被改变。此时，通过设置波导104、105之间的电压差，光学复用器106中的光学干涉状态被改变，使得光可以被调制(即，输出波导102的输出光被打开和关闭)。
呈现了SG配置，其中，在共面带状线109、110中的一条连接到输入电信号(S)的情况下，另一条连接到参考电位或地(G)。
通过共面带状线109、110传播的微波由电极111、112施加到波导104、105。电极111、112与共面带状线109、110形成作为整体的行波电极。即，呈现了旨在通过以下方式来增加调制频带的电极结构：将通过波导104、105传播的光波的速度与通过上述行波电极传播的微波的速度匹配得尽可能接近，以实现光波与微波之间的相位匹配。如果微波没有损耗，并且光波与微波之间的速度匹配条件完全满足，调制频带将是无限的。然而，由于微波的损耗或光波与微波之间的阻抗失配和相移，微波反射实际上发生，并且因此针对这些原因，调制频带受限。
如之前描述的，由于上包覆层116、半导体核心层115和下包覆层114存在于电极111、112下方，因此存在特定的元件容量。即，在图10A中，电极111、112向共面带状线109、110添加容量。换言之，通过最优地设计电极111、112的数量和其之间的间隔以及电极111、112与波导104、105的接触长度，可以自由地设计添加到共面带状线109、110的容量的量，并且可以将共面带状线109、110的阻抗和微波的速度设计为具有任意值。
此外，连接到用于驱动调制器的n-InP层113(n型半导体层)的两个电极焊盘118被放置在远离共面带状线109、110和电极111、112的部分处。这两个电极焊盘118在相同位置处沿波导101、102、104和105的延伸方向布置。如上所述，在具有电容性加载结构的半导体MZ调制器中，通过电极焊盘118向n型半导体层施加电压，然而，电压降是由n型半导体层的电阻引起的，这带来了低功率效率的问题。
引用列表
非专利文献
非专利文献1：J.Ozaki，et al.，″Ultra-low Power Dissipation(2.4W)CoherentInP Modulator Module with CMOS Driver IC″，Mo3C.2，ECOC，2018
非专利文献2：H.N.Klein et al.，″1.55m Mach-Zehnder Modulators on InPfor optical 40/80 Gbit/s transmission networks″，OFC2006，pp.171-173，2006
非专利文献3：D.Hoffman et al.，″45GHz bandwidth travelling waveelectrode Mach-Zehnder modulator with integrated spot size converter″，IPRM2004
发明内容
技术问题
为解决上述问题而做出的本发明的目的是防止在将用于操作的偏置电压施加到具有电容性加载结构的半导体Mach-Zehnder光调制器中的下层导电层的情况下会发生的电压降。
用于解决问题的手段
本发明的一种半导体Mach-Zehnder光调制器包括：光波导，形成在半绝缘半导体衬底上；输入侧引出线，形成在所述衬底上的至少一层的介电层上，调制信号被输入到所述输入侧引出线的一端；相位调制电极线，沿所述光波导形成在所述介电层上，并且具有与所述输入侧引出线的另一端连接的一端；电极，向所述光波导施加通过所述相位调制电极线传播的调制信号；导电层，形成在所述衬底与所述光波导之间；多个第一布线层，在光波导的延伸方向上断续地形成，以与光波导交叉，并且连接到导电层；以及第二布线层，形成为将用于向所述导电层施加电压的电极焊盘与所述多个第一布线层相连接。
此外，在本发明的种半导体Mach-Zehnder光调制器的一个配置示例中，第一布线层由n型半导体层、金属以及在n型半导体层上形成金属的结构中的任一种制成，并且第二布线层由金属制成。
此外，在本发明的半导体Mach-Zehnder光调制器的一个配置示例中，第一布线层和第二布线层形成为到衬底分别比到输入侧引出线和相位调制电极线靠近。
此外，在本发明的半导体Mach-Zehnder光调制器的一个配置示例中，多个电极沿光波导的延伸方向周期性地设置，以及在相位调制电极线的区域中形成的多个第一布线层中的第一布线层在沿光波导的延伸方向设置彼此相邻的两个电极之间的中心位置处。
此外，本发明的半导体Mach-Zehnder光调制器的一个配置示例还包括：输出侧引出线，形成在介电层上，并且具有与相位调制电极线的另一端连接的一端，其中，光波导包括第一臂波导和第二臂波导，输入侧引出线包括：第一输入侧引出线，调制信号被输入到第一输入侧引出线的一端；以及第二输入侧引出线，形成在与第一输入侧引出线相邻的介电层上，与调制信号互补的信号被输入到第二输入侧引出线的一端，相位调制电极线包括：两个第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，沿第一臂波导和第二臂波导形成在介电层上，并且具有分别与第一输入侧引出线和第二输入侧引出线的另一端连接的一端，输出侧引出线包括：两个第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，具有分别与第一相位调制电极线和第二相位调制电极线的另一端连接的一端，以及电极包括：两个第一电极和第二电极，将通过第一相位调制电极线和第二相位调制电极线传播的调制信号分别施加到第一臂波导和第二臂波导。该半导体Mach-Zehnder光调制器还包括：第一地线，沿所述光波导的延伸方向形成在第一输入侧引出线、第一相位调制电极线和第一输出侧引出线外侧的介电层上；以及第二地线，在所述光波导的延伸方向上形成在所述第二输入侧引出线、所述第二相位调制电极线和所述第二输出侧引出线外侧的介电层上。
此外，本发明的一种IQ调制器包括：两个半导体Mach-Zehnder光调制器；输入波导，形成在衬底上；以及分支滤波器，形成在衬底上，用于将通过输入波导传播的光分离到两个***以用于输入到两个半导体Mach-Zehnder光调制器，其中，在两个半导体Mach-Zehnder光调制器中，接收I调制信号作为输入的第一半导体Mach-Zehnder光调制器和接收Q调制信号作为输入的第二半导体Mach-Zehnder光调制器被布置为使得它们的光波导彼此平行，第一半导体Mach-Zehnder光调制器的第二地线和与其相邻的第二半导体Mach-Zehnder光调制器的第一地线一体地形成为两个半导体Mach-Zehnder光调制器公共的地线，并且在第二布线层中，沿光波导的延伸方向布置的部分布置在公共地线的中心线下方。
此外，本发明的IQ调制器的一个配置示例通过第二布线层从单个电极焊盘连接到第一半导体Mach-Zehnder光调制器和第二半导体Mach-Zehnder光调制器中的每一个的第一布线层。
此外，在本发明的IQ调制器的一个配置示例中，多个布线层各自形成在从第一半导体Mach-Zehnder光调制器的第一地线下方的位置到第二半导体Mach-Zehnder光调制器的第二地线下方的位置，并且从第二布线层到与第一半导体Mach-Zehnder光调制器靠近的一端的距离等于从第二布线层到与第二半导体Mach-Zehnder光调制器靠近的一端的距离。
本发明的效果
根据本发明，通过设置沿光波导的延伸方向断续地形成且连接到导电层的多个第一布线层、以及形成为连接电极焊盘和多个第一布线层的第二布线层，可以防止当驱动电容性加载半导体Mach-Zehnder光调制器时由诸如n型半导体层之类的导电层的电阻引起的电压降而不劣化RF特性。其结果是，本发明可以提供以低偏置电压驱动并能够以高波特率操作的优异的差分电容性加载半导体Mach-Zehnder光调制器。
附图说明
[图1]图1是示出了根据本发明的第一实施例的IQ调制器的配置的平面图。
[图2]图2是根据本发明的第一实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图。
[图3]图3是根据本发明的第一实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图。
[图4]图4是根据本发明的第一实施例的IQ调制器的地线的一部分的截面图。
[图5]图5是根据本发明的第一实施例的IQ调制器的地线的一部分的另一截面图。
[图6]图6是根据本发明的第二实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图。
[图7]图7是根据本发明的第二实施例的IQ调制器的地线的一部分的截面图。
[图8]图8是根据本发明的第三实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图。
[图9]图9是根据本发明的第三实施例的IQ调制器的地线的一部分的截面图。
[图10A]图10A是示出了传统半导体MZ调制器的配置的平面图。
[图10B]图10B足示出了传统半导体MZ调制器的配置的截面图。
具体实施方式
[发明原理]
在本发明中，为了防止用于操作电容式加载半导体MZ调制器所必需的偏置电压的增加，准备了用于向下层n型半导体层(导电层)施加电压的多个布线层。此外，通过设置具有预定结构的连接布线，对RF(射频)特性的影响由于布线层的存在而被最小化。
[第一实施例]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。图1是示出了根据本发明的第一实施例的IQ调制器的配置的平面图。图1描述了由两个半导体MZ调制器组成的IQ调制器的相位调制部分。
IQ调制器包括：输入波导10、1×2MMI耦合器11、波导12、13、1×2MMI耦合器14、1×2MMI耦合器15、波导16、17(第一和第二臂波导)、波导18、19(第一和第二臂波导)、输入侧引出线20、21(第一和第二输入侧引出线)、输入侧引出线22、23(第一和第二输入侧引出线)、相位调制电极线24、25(第一和第二相位调制电极线)、相位调制电极线26、27(第一和第二相位调制电极线)、输出侧引出线28、29(第一和第二输出侧引出线)、输出侧引出线30、31(第一和第二输出侧引出线)、电极32、33(第一和第二电极)以及电极34、35(第一和第二电极)。前述1×2MMI耦合器11将通过输入波导10传播的光分离到两个***中。前述波导12、13引导由1×2MMI耦合器11分离的两束光线。前述1×2MMI耦合器14将通过波导12传播的光分离到两个***中。前述1×2MMI耦合器15将通过波导13传播的光分离到两个***中。前述波导16、17引导由1×2MMI耦合器14分离的两束光线。前述波导18、19引导由1×2MMI耦合器15分离的两束光线。前述输入侧引出线20、21由用于向波导16、17施加I调制信号的导体制成。前述输入侧引出线22、23由用于向波导18、19施加Q调制信号的导体制成。前述相位调制电极线24、25由连接到输入侧引出线20、21的导体制成。前述相位调制电极线26、27由连接到输入侧引出线22、23的导体制成。前述输出侧引出线28、29由连接到相位调制电极线24、25的导体制成。前述输出侧引出线30、31由连接到相位调制电极线26、27的导体制成。前述电极32、33由用于向波导16、17施加从相位调制电极线24、25提供的I调制信号的导体制成。前述电极34、35由用于向波导18、19施加从相位调制电极线26、27提供的Q调制信号的导体制成。
此外，双极化IQ调制器包括相位调整电极36至39、2×1MMI耦合器40、2×1MMI耦合器41、波导42、波导43、相位调整电极44、45、2×1MMI耦合器46、输出波导47、地线48、地线49、地线50、终端电阻器51至54以及电极焊盘55。前述相位调整电极36至39由用于调整通过波导16至19传播的被调制的信号光的相位的导体制成。前述2×1MMI耦合器40复用通过波导16、17传播的在两个***中的信号光。前述2×1MMI耦合器41复用通过波导18、19传播的在两个***中的信号光。前述波导42引导2×1MMI耦合器40的输出光。前述波导43引导2×1MMI耦合器41的输出光。前述相位调整电极44、45由用于调整通过波导42、43传播的信号光的相位的导体制成。前述2×1MMI耦合器46复用通过波导42、43传播的在两个***中的信号光。前述地线48由设置在2×1MMI耦合器46、输出波导47、输入侧引出线20、相位调制电极线24以及输出侧引出线28外侧的导体制成。前述地线49由设置在输入侧引出线21、相位调制电极线25和输出侧引出线29与输入侧引出线22、相位调制电极线26和输出侧引出线30之间的导体制成。前述地线50由设置在输入侧引出线23、相位调制电极线27以及输出侧引出线31外侧的导体制成。前述终端电阻器51至54连接到输出侧引出线28至31的端部。前述电极焊盘55向下层n型半导体层施加电压。
本实施例的IQ调制器的射频线由三个部分形成：输入侧引出线20至23的一部分；相位调制电极线24至27的一部分；以及输出侧引出线28至31的一部分，并且在所有部分中都呈现了实现阻抗匹配的差分线结构(GSSG配置)。如果没有实现阻抗匹配，在射频线的连接处会发生信号反射，从而导致射频特性劣化。
在本实施例中，射频线在所有部分中都具有差分线配置，使得调制器可以由具有高能量效率的差分输入信号(差分驱动器)来驱动。此外，在本实施例中，具有差分线配置的射频线即使使用最近从降低功率消耗的角度而使用的集电极开路或漏极开路差分驱动器，也可以实现平滑的射频连接，并且可以实现低功率消耗和宽带性能两者。
接下来，将更详细的描述本实施例的射频线图案。如上所述，本实施例的射频线图案采用由在低介电材料制成的介电层上形成的两条信号线和两条地线组成的GSSG(地信号信号地)差分共面线作为基本结构。
然而，在本实施例中，接收I调制信号作为输入的半导体MZ调制器和接收Q调制信号作为输入的半导体MZ调制器平行布置在衬底上，使得它们的波导彼此平行。
在本实施例中，I调制信号侧的半导体MZ调制器的射频线图案和Q调制信号侧的半导体MZ调制器的射频线图案在中心共享地线49。即，I调制信号侧的半导体MZ调制器的地线和与其相邻的Q调制信号侧的半导体MZ调制器的地线一体地形成为这两个半导体MZ光调制器公共的地线。
I调制信号从在将在下文描述的SI-InP衬底上形成的差分驱动器(未示出)输入到输入侧引出线20，并且与其互补的I调制信号(条状I)从差分驱动器输入到输入侧引出线21。类似地，Q调制信号从差分驱动器输入到输入侧引出线22，并且与其互补的Q调制信号(条状Q)从差分驱动器输入到输入侧引出线23。
相位调制电极线24至27与构成半导体MZ调制器的波导16至19平行地设置。相位调制电极线24至27和与其连接的电极32至35形成差分电容性加载结构(GSSG配置)，该差分电容性加载结构(GSSG配置)的微波与光波之间的阻抗匹配和速度匹配是优异的。
即，被配置为使得地线48、向其输入I调制信号的相位调制电极线24、从相位调制电极线24向其提供I调制信号的电极32、向其输入与I调制信号互补的信号(条状I)的电极33、向电极33提供信号的相位调制电极线25、地线49、向其输入Q调制信号的相位调制电极线26、从相位调制电极线26向其提供Q调制信号的电极34、向其输入与Q调制信号互补的信号(条状Q)的电极35、向电极35提供信号的相位调制电极线27以及地线50对齐。
通过最优地设计从作为主线的相位调制电极线24至27分支出并周期性地形成的电容性加载部分的电极32至35的数量、之间的间距、和长度，可以自由地设计添加到相位调制电极线24至27的容量，使得可以将相位调制电极线24至27的阻抗、和通过相位调制电极线24至27传播的微波的速度设计为任意值。
输入侧引出线20至23可以具有GSSG配置，或者可以具有GSGSG配置(通过向GSSG配置进一步添加输入侧引出线20和21之间的地线和输入侧引出线22和23之间的地线所获得的配置)。通常，相位调制部分的差分电容性加载结构在许多情况下具有GSSG配置，并且本实施例也采用GSSG配置。因此，输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31也是GSSG配置的射频线。
输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31具有与相位调制部分相同的GSSG配置的原因是因为：担心由于诸如从GSGSG配置改变为GSSG配置或从GSSG配置改变为GSGSG配置之类的模式改变而引起的特性的损失和劣化。如果相位调制部分具有GSGSG配置，则期望输入侧引出线20至23和输出侧引出线28至31具有GSGSG配置。
输出侧引出线28至31的相应端部被射频终端电阻器51至54终止。与输出侧引出线28至31不连接的射频终端电阻器51至54的端部接地或设置为任意电位。
地线48至50的一端(图1中的左端)连接到差分驱动器的地。
1×2MMI耦合器14、波导16、17、输入侧引出线20、21、相位调制电极线24、25、输出侧引出线28、29、电极32、33以及2×1MMI耦合器40构成I侧半导体MZ调制器。该半导体MZ调制器根据从电极32、33施加到波导16、17的I调制信号来调制通过波导16、17传播的光的相位。
类似地，1×2MMI耦合器15、波导18、19、输入侧引出线22、23、相位调制电极线26、27、输出侧引出线30、31、电极34、35以及2×1MMI耦合器41构成Q侧半导体MZ调制器。该半导体MZ调制器根据从电极34、35施加到波导18、19的Q调制信号来调制通过波导18、19传播的光的相位。
2×1MMI耦合器40复用通过波导16、17传播的被调制的信号光，并且2×1MMI耦合器41复用通过波导18、19传播的被调制的信号光。通过向相位调整电极44、45施加电压，可以调整相位，使得从2×1MMI耦合器40输出的I侧信号光与从2×1MMI耦合器41输出的Q侧信号光之间的相位差是90度。
2×1MMI耦合器46复用通过波导42传播的I侧信号光和通过波导43传播的Q侧信号光，以获得光学IQ调制信号。在本实施例中，因此可以实现IQ调制器。
由于本实施例的半导体MZ光调制器具有电容性加载结构，因此与非专利文献2和非专利文献3中所公开的类似，需要通过下层导电层(n型半导体层)施加用于驱动调制器的偏置电压。如果要通过其施加偏置电压的下层导电层是p型半导体层，则由于其高电阻率，电压降会增加。在导电层是p型半导体层的情况下的电压降比在导电层是n型半导体层的情况下的电压降大约一位。因此，通过其施加偏置电压的导电层肯定需要是n型半导体层。
图2是本实施例的IQ调制器的相位调制部分(其中存在电极32至35和相位调制电极线24至27的区域)的截面图，并且是沿图1的线a-a’截取的截面图。相位调制部分具有差分电容性加载结构，其中从在介电层上形成的相位调制电极线24至27(主线)分支出且在平面图中观察具有T形的电极32至35形成在波导16至19上，并且向波导16至19施加调制信号。
相位调制部分中的波导16至19由波导结构形成，在该波导结构中，n型半导体层(例如，诸如n-InP或n-InGaAsP之类的四元层)60、由半导体制成的下包覆层61、半导体核心层62和上包覆层63顺序地层叠在SI-InP衬底64上。
输入侧引出线20至23、相位调制电极线24至27、输出侧引出线28至31、以及地线48至50形成在介电层65上。为了降低射频线的损耗，介电层65理想地由诸如例如苯并环丁烯(BCB)之类的低介电材料形成。
上包覆层63和下包覆层61中的任一个可以是n型半导体，并且另一个可以是p型半导体。备选地，可以采用以下结构：上包覆层63和下包覆层61两者是n型半导体，并且在上包覆层63与半导体核心层62之间或者在下包覆层61与半导体核心层62之间***第三p型包覆层。
接下来，将描述用于防止施加到n型半导体层60(导电层)的电压下降的结构。图3是本实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图，并且是沿图1的线b-b’截取的截面图。图4是本实施例的IQ调制器的地线49的一部分的截面图，并且是沿图1的线d-d’截取的截面图。
在本实施例中，n型半导体层60a形成在图1所示的三个区域70的每一个中。当考虑电阻率时，针对用于向n型半导体层60施加电压的第一布线层不优选为p型半导体，并且第一布线层需要由n型半导体或金属来形成。在本实施例中，n型半导体层60a形成为第一布线层。
在相位调制部分中，n型半导体层60a连接到图2中的n型半导体层60。在输入侧引出线20至23的一部分中，n型半导体层60a连接到仅存在于波导12、13下方的n型半导体层60。在输出侧引出线28至31的一部分中，n型半导体层60a连接到仅存在于波导16至19下方的n型半导体层60。
为了连接电极焊盘55和n型半导体层60a，由金属制成的布线层71(第二布线层)形成在SI-InP衬底64上。电极焊盘55和布线层71通过未示出的通孔而连接。
以这种方式，在本实施例中，可以通过布线层71和n型半导体层60a在至少三个位置向n型半导体层60施加电压。
在图10A和图10B所示的传统结构中，用于向电极111下方的n型半导体层施加电压的电极焊盘118设置在一个位置，并且用于向电极112下方的n型半导体层施加电压的电极焊盘118设置在一个位置。以这种方式，当仅在一个位置向n型半导体层施加电压时，在距电极焊盘118一距离处发生电压降，并且电压变得比施加到电极焊盘118的偏置电压小。因此，在相位调制部分中不能获得期望的相位调制效果。
相反，在本实施例的半导体MZ光调制器中，由于可以在多个位置向n型半导体层60施加电压，因此向n型半导体层60施加的电压的下降可以忽略不计。
例如，在输入作为通用调制器模块的规范的16dBm的输入功率的功率的情况下，当在如图10A和图1OB所示的结构中仅在一个位置向n型半导体层施加电压时，实现Vπ＝1.5V所需的偏置电压将比没有电压降的情况大约1V。
相反，如本实施例中在三个位置处设置n型半导体层60a的情况下，电压降可以减小到约0.25V或以下。由于约0.25V的电压降基本上等同于由公共外延平面内变化引起的偏置电压的变化量，因此电压降的影响可以忽略不计。当n型半导体层60a的位置的数量增加到四个或五个时，电压降的量可以进一步减小。
此外，当考虑所施加的电压分布的对称性时，在IQ调制器的相邻的两个半导体MZ调制器(I调制信号侧的半导体MZ调制器和Q调制信号侧的半导体MZ调制器)中，期望距连接处到n型半导体层60的距离相等。
另一方面，在诸如10dBm之类的低输入功率的情况下，电压降的影响几乎不出现。原因是因为光功率较小，并且吸收来自半导体层的电流的光具有足够小的值。换句话说，偏置电压的下降值取决于流入n型半导体层60的电流的值，并且因此也取决于对芯片的光输入功率。
此外，为了减少电压降的影响，期望向其施加了用于操作前述相位调制部分的偏置电压的n型半导体层60、60a由具有载流子浓度为大于或等于1×1018cm-3的n-InGaAsP或n-InP制成。n型半导体层60、60a可以由例如单层或组合了n-InP和n-InGaAsP的两层或更多层形成，并且期望具有大于或等于0.2μm的厚度。
然而，n型半导体层60a基本上是导电层，并且当仅考虑射频特性时，不期望电极32至35的周围存在导电层。换句话说，如果不加考虑地设置n型半导体层60a，将影响RF特性。为了避免对RF特性的影响，在图10A和图10B所示的传统结构中，在不影响相位调制部分的位置处(在存在共面带状线109、110和电极111、112的区域中)向n型半导体层施加电压。因此，不能向相位调制部分周围的n型半导体层直接施加电压。
另一方面，在本实施例的半导体MZ光调制器中，为了降低施加于射频特性的影响，将在其中设置n型半导体层60a的多个区域70的位置确定为如图1所示。具体地，n型半导体层60a设置在上层中不存在电极32至35的位置处。此外，为了确保电磁场部分的对称性，在沿相位调制部分中的波导16至19的延伸方向(图1中的横向方向)彼此相邻的两个电极之间的中心位置处设置n型半导体层60a。
在本实施例中，布线层71形成在IQ调制器的相邻的两个半导体MZ调制器(I调制信号侧的半导体MZ调制器和Q调制信号侧的半导体MZ调制器)的中心线位置处，并且n型半导体层60a有意地形成在对于向n型半导体层60施加电压方面不需要的区域处，即，地线48至50下方的区域，使得从布线层71到I调制信号侧的半导体MZ调制器的GSSG配置(地线49、相位调制电极线25、24和地线48)的距离、以及从布线层71到Q调制信号侧的半导体MZ调制器的GSSG配置(地线49、相位调制电极线26、27和地线50)被均衡化。
换句话说，n型半导体层60a形成在从I调制信号侧的半导体MZ调制器的地线48下方的位置处到Q调制信号侧的半导体MZ调制器的地线50下方的位置处，并且从布线层71到与I调制信号侧的半导体MZ调制器靠近的端部的距离等于从布线层71到与Q调制信号侧的半导体MZ调制器靠近的端部的距离。
在本实施例中，通过在沿相位调制部分中的波导16至19的延伸方向彼此相邻的两个电极之间的中心位置处设置n型半导体层60a，可以确保有助于调制操作的差分模式的电场分布的对称性，并且可以通过布线层71和n型半导体层60a向n型半导体层60施加电压而不会劣化射频特性。
对于IQ调制器的相邻的两个半导体MZ调制器，基于类似的思路，通过使从布线层71到I调制信号侧的半导体MZ调制器的GSSG配置的距离与从布线层71到Q调制信号侧的半导体MZ调制器的GSSG配置的距离均衡化，也可以确保对称性。因此，对于相邻的两个半导体MZ调制器，向n型半导体层60施加的电压的下降量可以被均衡化。
如从图2至图4所理解的，为了不影响射频线(输入侧引出线20至23、相位调制电极线24至27、以及输出侧引出线28至31)，布线层71和n型半导体层60a由多层布线整体地实现，并且布置在射频线下方。
可以在射频线上方设置布线层71和n型半导体层60a，然而，介电层将设置在射频线上，并且布线层71和n型半导体层60a将设置在介电层上。在这种情况下，将构造成使得射频线由介电材料包围，并且射频线的阻抗将降低或损耗将增加，从而影响射频特性。因此，不期望在射频线上设置布线层71和n型半导体层60a。
通常，由于导线的数量增加并且对于安装方面的连接端子的数量增加，难以使用多个端子。因此，期望将IQ调制器的两个半导体MZ调制器的电极焊盘集成为一个。因此，在本实施例中，在不影响射频线的一部分中设置单个电极焊盘55，并且从电极焊盘55通过布线层71向n型半导体层60a提供功率。此外，出于确保两个半导体MZ调制器的对称性和避免对射频信号的影响的原因，如上所述，布线层71布置在地线49的中心线下方。
在本实施例中，呈现了对n型半导体层60仅存在于波导10、12、13、16至19、42、43和47以及MMI耦合器11、14、15、40、41和46下方的示例的描述，同时本实施例也适用于n型半导体层60存在于更宽范围中的情况。图5示出了在这种情况下沿图1的线d-d’截取的截面图。然而，为了最小化射频特性的劣化，如图4所示，期望在布线层71下方不存在n型半导体层60。
[第二实施例]
接下来，将描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，在图1所示的区域70中形成n型半导体层60a，同时可以形成金属层来代替n型半导体层60a。在本实施例中，IQ调制器的平面图也如图1所示。
图6是本实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图，并且是沿图1的线b-b’截取的截面图。金属层72(第一布线层)应该仅连接到布线层71和n型半导体层60，并且如图6所示，在本实施例中被断续地布置。即，金属层72可以在与波导12、13以及16至19交叉的部分处部分地不连续。
图7是本实施例的IQ调制器的地线49的一部分的截面图，并且是沿图1的线d-d’截取的截面图。与第一实施例的n型半导体层60a类似，金属层72在地线49的中心线下方的位置处连接到布线层71。
[第三实施例]
接下来，将描述本发明的第三实施例。在第一实施例中，n型半导体层60a形成在图1所示的区域70中，同时金属层可以进一步形成在n型半导体层60a上。在本实施例中，IQ调制器的平面图也如图1所示。
图7是本实施例的IQ调制器的相位调制部分的截面图，并且是沿图1的线b-b’截取的截面图。n型半导体层60a和金属层73构成第二布线层。与第二实施例的金属层72类似，金属层73被断续地布置。即，金属层73可以在与波导12、13以及16至19交叉的部分处部分地不连续。
图9是本实施例的IQ调制器的地线49的一部分的截面图，并且是沿图1的线d-d’截取的截面图。与第一实施例的n型半导体层60a类似，金属层73在地线49的中心线下方的位置处连接到布线层71。
注意，在第一至第三实施例中，半导体MZ光调制器的波导16至19具有由InP制成的下包覆层61、未掺杂的半导体核心层62以及由InP制成的上包覆层63顺序地层叠在SI-InP衬底64上的结构。这同样适用于其他波导10、12、13、42、43以及47。
半导体核心层62用作光波导层，并且例如由诸如InGaAsP或InGaAlAs之类的材料制成。半导体核心层62可以由单一成分的四元混合晶体的体层或多量子阱层来实现。备选地，半导体核心层62可以具有如下所述的结构：光限制层形成在多量子阱层的上方和下方，该光限制层的带隙比多量子阱层的带隙大且比下包覆层61和上包覆层63的带隙小。
四元混合晶体的体层或多量子阱层的带隙波长设置为使得电光效应被有效地施加，并且在所使用的光波长处光吸收没有问题。此外，本发明不限于基于InP的材料，例如匹配GaAs衬底的材料也可以使用。
第一至第三实施例已经描述了设置有输出侧引出线28至31的配置，然而，可以不设置输出侧引出线28至31。在未设置输出侧引出线28至31的情况下，相位调制电极线24至27的输出侧端部将被终止在芯片上。
工业实用性
本发明适用于用电信号调制光信号的半导体Mach-Zehnder光调制器。
附图标记列表
10 输入波导
11、14、15 1×2 MMI耦合器
12、13、16至19、42、43 波导
20至23 输入侧引出线
24至27 相位调制电极线
28至31 输出侧引出线
32至35 电极
36至39、44、45 相位调整电极
40、41、46 2×1 MMI耦合器
47 输出波导
48至50 地线
51至54 终端电阻器
55 电极焊盘
60、60a n-型半导体层
61 下包覆层
62 半导体核心层
63 上包覆层
64 SI-InP衬底
65 介电层
71 布线层
72、73 金属层。

Claims (8)

1.一种半导体Mach-Zehnder光调制器，包括：
光波导，形成在半绝缘半导体衬底上；
输入侧引出线，形成在所述衬底上的至少一层的介电层上，调制信号被输入到所述输入侧引出线的一端；
相位调制电极线，沿所述光波导形成在所述介电层上，并且具有与所述输入侧引出线的另一端连接的一端；
电极，向所述光波导施加通过所述相位调制电极线传播的调制信号；
导电层，形成在所述衬底与所述光波导之间；
多个第一布线层，在所述光波导的延伸方向上断续地形成以与所述光波导交叉，并且连接到所述导电层；以及
第二布线层，形成为将用于向所述导电层施加电压的电极焊盘与所述多个第一布线层相连接。
2.根据权利要求1所述的半导体Mach-Zehnder光调制器，其中，
所述第一布线层由n型半导体层、金属以及在n型半导体层上形成金属的结构中的任一种制成，以及
所述第二布线层由金属制成。
3.根据权利要求1或2所述的半导体Mach-Zehnder光调制器，其中，
所述第一布线层和所述第二布线层形成为到所述衬底分别比到所述输入侧引出线和所述相位调制电极线靠近。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体Mach-Zehnder光调制器，其中，
多个电极在所述光波导的延伸方向上周期性地设置，以及
所述多个第一布线层中的在所述相位调制电极线的区域中形成的第一布线层布置在所述光波导的延伸方向上彼此相邻的两个电极之间的中心位置处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体Mach-Zehnder光调制器，还包括：
输出侧引出线，形成在所述介电层上，并且具有与所述相位调制电极线的另一端连接的一端，其中，
所述光波导包括：第一臂波导和第二臂波导，
所述输入侧引出线包括：第一输入侧引出线，调制信号被输入到所述第一输入侧引出线的一端；以及第二输入侧引出线，形成在与所述第一输入侧引出线相邻的介电层上，与所述调制信号互补的信号被输入到所述第二输入侧引出线的一端，
所述相位调制电极线包括：两个第一相位调制电极线和第二相位调制电极线，沿所述第一臂波导和所述第二臂波导形成在所述介电层上，并且具有分别与所述第一输入侧引出线和所述第二输入侧引出线的另一端连接的一端，
所述输出侧引出线包括：两个第一输出侧引出线和第二输出侧引出线，具有分别与所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线的另一端连接的一端，以及
所述电极包括：两个第一电极和第二电极，将通过所述第一相位调制电极线和所述第二相位调制电极线传播的调制信号分别施加到所述第一臂波导和所述第二臂波导，
所述半导体Mach-Zehnder光调制器还包括：
第一地线，在所述光波导的延伸方向上形成在所述第一输入侧引出线、所述第一相位调制电极线和所述第一输出侧引出线外侧的介电层上；以及
第二地线，在所述光波导的延伸方向上形成在所述第二输入侧引出线、所述第二相位调制电极线和所述第二输出侧引出线外侧的介电层上。
6.一种IQ调制器，包括：
两个根据权利要求5所述的半导体Mach-Zehnder光调制器；
输入波导，形成在所述衬底上；以及
分支滤波器，形成在所述衬底上，用于将通过所述输入波导传播的光分离到两个***以用于输入到两个半导体Mach-Zehnder光调制器，其中，
在两个半导体Mach-Zehnder光调制器中，接收I调制信号作为输入的第一半导体Mach-Zehnder光调制器和接收Q调制信号作为输入的第二半导体Mach-Zehnder光调制器布置为使得它们的光波导彼此平行地定位，
所述第一半导体Mach-Zehnder光调制器的第二地线和与所述第二地线相邻的所述第二半导体Mach-Zehnder光调制器的第一地线一体地形成为所述两个半导体Mach-Zehnder光调制器公共的地线，并且
在所述第二布线层中，在所述光波导的延伸方向上布置的部分布置在公共地线的中心线下方。
7.根据权利要求6所述的IQ调制器，通过所述第二布线层从单个电极焊盘连接到所述第一半导体Mach-Zehnder光调制器和所述第二半导体Mach-Zehnder光调制器中的每一个的所述第一布线层。
8.根据权利要求6或7所述的IQ调制器，其中，
所述多个布线层各自形成为从所述第一半导体Mach-Zehnder光调制器的第一地线下方的位置到所述第二半导体Mach-Zehnder光调制器的第二地线下方的位置，并且从所述第二布线层到与所述第一半导体Mach-Zehnder光调制器靠近的一端的距离等于从所述第二布线层到与所述第二半导体Mach-Zehnder光调制器靠近的一端的距离。
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